EP0835530B1 - Hochtemperatur-brennstoffzellenanlage und verfahren zu ihrem betrieb - Google Patents

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EP0835530B1 EP96918609A EP96918609A EP0835530B1 EP 0835530 B1 EP0835530 B1 EP 0835530B1 EP 96918609 A EP96918609 A EP 96918609A EP 96918609 A EP96918609 A EP 96918609A EP 0835530 B1 EP0835530 B1 EP 0835530B1
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Definitions

  • the invention relates to a high-temperature fuel cell system and a process for their operation.
  • natural gas serves as the primary energy source in the high-temperature solid oxide fuel cell (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the very compact structure enables a power density of 1 MW / m 3 .
  • Operating temperatures T 0 of over 900 ° C result.
  • a fuel cell block that is also in the specialist literature "Stack” is usually made up of a large number of planar and stacked Fuel cells together.
  • a fuel cell system which comprises at least one fuel cell block, with a high, constant operating temperature T 0 of, for example, over 900 ° C.
  • T 0 constant operating temperature
  • the fuel cell blocks currently being implemented have relatively low outputs and have dimensions on a laboratory scale. They are brought to the operating temperature T 0 of approx. 600 ° C with the MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) or approx. 950 ° C with the SOFC in an oven and operated in the oven. This solution is not practical for fuel cell blocks with larger outputs and dimensions.
  • DE 42 23 291 A1 describes a fuel cell system unit known, which comprises a cell stack, which consists of a Large number of individual fuel cells.
  • a Device arranged outside the fuel cell system unit heated to increase the temperature at the start of operation water flowing through the fuel cell system unit, thereby the individual fuel cells to a predetermined Temperature to be preheated.
  • a method is known from DE 40 37 970 A1, in which with a hot exhaust gas from a fuel cell stack is heated for the fuel cell stack.
  • a Such a method is also known from EP 0 654 838 A1.
  • the invention is based on the object of a high-temperature fuel cell system specify at which the high temperature fuel cells not dirty when heated or to be damaged.
  • a method of operation is said to be specified such a high temperature fuel cell system become.
  • the first-mentioned task is solved by a high-temperature fuel cell system with at least one high-temperature fuel cell block, to warm it at least one Electric heating element is provided, the heating element arranged outside the high temperature fuel cell block and the space between the Heating element and the high temperature fuel cell block is filled with heat-conducting material.
  • the second task is solved by a method for Operate a high temperature fuel cell system with at least one high temperature fuel cell block, wherein the high temperature fuel cell block from the outside with at least an electrical heating element via a thermally conductive Material is heated.
  • the thermally conductive material between the heating element and the High temperature fuel cell block ensures a special favorable heat transfer between the electrical Heating element and the high temperature fuel cell block.
  • the heating element can also be tight on the outer wall of the fuel cell block.
  • the electrical heating element is preferably within a High temperature fuel cell canister with thermal insulation arranged. This means that little heat is generated from the High-temperature fuel cell containers released into the environment.
  • the high temperature fuel cell block according to the invention with at least one electrical Heating element warmed.
  • the electric heating element the high-temperature fuel cell block is independent of the heat produced in the reaction process is heated.
  • no flue gas is used.
  • the High temperature fuel cell block is not in a special Oven warmed, d. H. that the procedure on any Configuration of high temperature fuel cell blocks is applicable.
  • the process is therefore independent of the performance and dimensions of the high-temperature fuel cell blocks and therefore also independent of the dimensions the high-temperature fuel cell system.
  • the high-temperature fuel cell block is preferably heated from an initial temperature to the necessary operating temperature T 0 .
  • No equipment, for example hydrogen H 2 or oxygen O 2 is required for heating. This saves costs for operating resources during the heating of the high-temperature fuel cell block.
  • the high-temperature fuel cell block is kept at the necessary operating temperature T 0 .
  • An electrical control circuit can be provided for this.
  • power fluctuations due to fluctuations in the operating temperature T 0 are compensated for or avoided.
  • the high-temperature fuel cell block no longer has to be raised to the required operating temperature T 0 , which saves costs for resources and also time.
  • a high temperature fuel cell system 2 includes a high temperature fuel cell system 2 a high-temperature fuel cell block 4, which in an anode part 6 with anode gas spaces not shown and a cathode part 8 with not shown Cathode gas spaces is divided.
  • the high temperature fuel cell block 4 is a variety of planar constructed, not shown high-temperature fuel cells composed as e.g. from the German Patent P 39 35 722.8 are known.
  • an inverter 16 connected to that of the high temperature fuel cell block 4 generated direct current in alternating current for a here converts power grid not shown.
  • the high temperature fuel cell block 4 is in a high temperature fuel cell container 10 with thermal insulation 9 arranged on the inner walls. Also are each in the interior 11 of the high-temperature fuel cell container 10 outside the high temperature fuel cell block 4 two electric heating elements 12, 14 arranged. she are located on two opposite walls. Otherwise is the space between the fuel cell block 4 and the and the heating elements 12, 14 with heat-conducting material 13, 15 filled out. The heat transfer between the electrical Heating elements 12, 14 and the high temperature fuel cell block 4 is through the thermally conductive material 13, 15th improved.
  • the electrical heating elements 12, 14 are in thermal Contact with the high temperature fuel cell block 4.
  • Zum No flue gas is required here for heating.
  • the procedure is based on any configuration of high temperature fuel cell blocks applicable. It is thus regardless of the performance and dimensions of the Fuel cell blocks and therefore just as independent of the Dimensions of the fuel cell system 2.
  • This method heats the high-temperature fuel cell block 4 to its operating temperature T 0 or keeps it there during short breaks in operation.
  • the temperature T of the high-temperature fuel cell block 4 is regulated.
  • the temperature T as a controlled variable is continuously detected by a temperature sensor 62, which is applied tightly on an outer wall of the high-temperature fuel cell block 4, and is switched to a control unit 54 via an electrical signal line 60.
  • the operating temperature To as a reference variable is made available to the control unit 54 with a setpoint generator 56 via an electrical signal line 58.
  • the controlled variable T is continuously compared with the reference variable T 0 . In the sense of an adjustment to the reference variable T 0 , the electrical heating elements 12, 14 are heated accordingly via the electrical lines 50, 52.
  • a cathode system 20 is assigned to the cathode part 8, which comprises an access path 22 and an exit path 24.
  • the process gas for the cathode part 8 for example oxygen O 2
  • the process gas is fed via the inlet 22 with a compressor 26 into the high-temperature fuel cell block 4.
  • the process gas is discharged via path 24 after the reaction.
  • a first heat exchanger 28 is arranged in the inlet 22, in which the process exhaust gas heats the supplied process gas for the cathode part 8.
  • the process exhaust gas of the cathode part 8 via the path 24 of a device 38 supplied for processing the residual gases. From this facility 38 the processed gases are discharged through a discharge line 40 diverted for further use.
  • An anode system 30 is assigned to anode part 6, which comprises a feed path 32 and a drain path 34.
  • the process gas for the anode part 6, for example hydrogen H 2 is fed in via the inlet 32.
  • a second heat exchanger 36 is arranged in the inlet 32, in which the process exhaust gas discharged from the anode part 6 via the outlet 34 heats the process gas supplied to the anode part 6.
  • the path 34 opens into the device 38 for processing the residual gases.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zu ihrem Betrieb.
Es ist bekannt, daß bei der Elektrolyse von Wasser die Wassermoleküle durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. In der Brennstoffzelle läuft dieser Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Bei der elektrochemischen Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht elektrischer Strom: mit hohem Wirkungsgrad und - wenn als Brenngas reiner Wasserstoff eingesetzt wird - ohne Emission von Schadstoffen und Kohlendioxid. Auch mit technischen Brenngasen, beispielsweise Erdgas oder Kohlegas, und mit Luft oder mit mit O2 angereicherter Luft anstelle von reinem Sauerstoff erzeugt eine Brennstoffzelle deutlich weniger Schadstoffe und weniger CO2 als andere Energieerzeuger, die mit fossilen Energieträgern arbeiten. Die technische Umsetzung des Prinzips der Brennstoffzelle hat zu sehr unterschiedlichen Lösungen, und zwar mit verschiedenartigen Elektrolyten und mit Betriebstemperaturen T0 zwischen 80 °C und 1000 °C, geführt. In Abhängigkeit von ihrer Betriebstemperatur T0 werden die Brennstoffzellen in Nieder-, Mittel- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingeteilt, die sich wiederum durch verschiedene technische Ausführungsformen unterscheiden.
Bei der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC) beispielsweise dient Erdgas als primäre Energiequelle. Der sehr kompakte Aufbau ermöglicht eine Leistungsdichte von 1 MW/m3. Es ergeben sich Betriebstemperaturen T0 von über 900 °C.
Ein Brennstoffzellenblock, der in der Fachliteratur auch "Stack" genannt wird, setzt sich in der Regel aus einer Vielzahl von planar aufgebauten und aufeinander gestapelten Brennstoffzellen zusammen.
Um eine Brennstoffzellenanlage, die mindestens einen Brennstoffzellenblock umfaßt, mit einer hohen, konstanten Betriebstemperatur T0 von beispielsweise über 900 °C zu betreiben, muß dieser zum Erreichen der Betriebstemperatur T0 vor dem Betrieb bzw. zum Halten der notwendigen Betriebstemperatur T0 während kurzer Betriebspausen Warme zugeführt werden. Die zur Zeit realisierten Brennstoffzellenblöcke haben relativ kleine Leistungen und weisen Abmessungen im Labormaßstab auf. Sie werden in einem Ofen auf die Betriebstemperatur T0 von ca. 600 °C bei der MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) oder ca. 950 °C bei der SOFC gebracht und im Ofen betrieben. Diese Lösung ist für Brennstoffzellenblöcke mit größeren Leistungen und Abmessungen nicht praktikabel.
Aus "A Study for a 200 kWe-System for Power and Heat" von M. R. Taylor, D. S. Beishon, Tagungsbericht "First European Solid Oxid Fuel Cell Forum", Luzern 1994, Seiten 849 bis 864, ist ein Verfahren bekannt, das zwecks Erwärmen durch den Brennstoffzellenblock Rauchgas leitet. Dieses Verfahren ist unvorteilhaft, da durch das Rauchgas die Brennstoffzellen, aus denen sich der Brennstoffzellenblock zusammensetzt, verschmutzt oder beschädigt werden.
Aus der DE 42 23 291 Al ist eine Brennstoffzellen-Systemeinheit bekannt, die einen Zellenstapel umfaßt, der sich aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen zusammensetzt. Eine außerhalb der Brennstoffzellen-Systemeinheit angeordnete Vorrichtung zur Temperaturerhöhung erhitzt bei Betriebsbeginn die Brennstoffzellen-Systemeinheit durchlaufendes Wasser, wodurch die einzelnen Brennstoffzellen auf eine vorgegebene Temperatur vorgeheizt werden.
Aus der DE 40 37 970 Al ist ein Verfahren bekannt, bei dem mit einem heißen Abgas eines Brennstoffzellenstapels ein Betriebsmittel für den Brennstoffzellenstapel erwärmt wird. Ein solches Verfahren ist außerdem aus der EP 0 654 838 Al bekannt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage anzugeben, bei der die Hochtemperatur-Brennstoffzellen beim Erwärmen nicht verschmutzt oder beschädigt werden. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage angegeben werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage mit mindestens einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock, zu dessen Erwärmung mindestens ein elektrisches Heizelement vorgesehen ist, wobei das Heizelement außerhalb des Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocks angeordnet ist, und wobei der Zwischenraum zwischen dem Heizelement und dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock durch wärmeleitendes Material ausgefüllt ist.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage mit mindestens einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock, wobei der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock von außen mit mindestens einem elektrischen Heizelement über ein wärmeleitendes Material erwärmt wird.
Durch die Verwendung des elektrischen Heizelements kann eine gute Temperaturregelung gewährleistet werden. Das wärmeleitende Material zwischen dem Heizelement und dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock sorgt für eine besonders günstige Wärmeübertragung zwischen dem elektrischen Heizelement und dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock. Natürlich kann das Heizelement auch dicht auf der Außenwand des Brennstoffzellenblocks aufgebracht sein.
Vorzugsweise ist das elektrische Heizelement innerhalb eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenbehälters mit thermischer Isolierung angeordnet. Dadurch wird nur wenig Wärme aus dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenbehälter an die Umgebung abgegeben.
Bei dem Verfahren zum Betreiben der Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 3 wird der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock gemäß der Erfindung mit mindestens einem elektrischen Heizelement erwärmt. Durch das elektrische Heizelement wird der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock dabei unabhängig von der beim Reaktionsprozeß produzierten Wärme erwärmt. Zum Erwärmen wird also kein Rauchgas verwendet. Demzufolge kommt es nicht zu Verschmutzungen oder Beschädigungen der Hochtemperatur-Brennstoffzellen aufgrund von Rauchgaseinwirkungen. Der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock wird nicht in einem speziellen Ofen erwärmt, d. h. daß das Verfahren auf jede beliebige Konfiguration von Hochtemperatur-Brennstoffzellenblöcken anwendbar ist. Das Verfahren ist damit unabhängig von den Leistungen und den Abmessungen der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblöcke und damit ebenso unabhängig von den Abmessungen der Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage.
Vorzugsweise wird der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock von einer Ausgangstemperatur auf die notwendige Betriebstemperatur T0 erwärmt. Es wird kein Betriebsmittel, beispielsweise Wasserstoff H2 oder Sauerstoff O2, zum Erwärmen benötigt. Dadurch werden Kosten für Betriebsmittel während des Erwärmens des Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocks eingespart.
Insbesondere wird der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock auf der notwendigen Betriebstemperatur T0 gehalten. Hierzu kann ein elektrischer Regelkreis vorgesehen sein. Demzufolge werden Leistungsschwankungen aufgrund von Schwankungen der Betriebstemperatur T0 ausgeglichen oder vermieden. Nach kürzeren Betriebspausen muß der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock nicht mehr erneut auf die notwendige Betriebstemperatur T0 hochgefahren werden, wodurch Kosten für Betriebsmittel und auch Zeit eingespart werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage schematisch dargestellt ist.
Gemäß der Figur umfaßt eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2 einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4, der in einen Anodenteil 6 mit nicht weiter dargestellten Anodengasräumen und einen Kathodenteil 8 mit nicht weiter dargestellten Kathodengasräumen aufgeteilt ist. Der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 ist aus einer Vielzahl von planar aufgebauten, nicht weiter dargestellten Hochtemperatur-Brennstoffzellen zusammengesetzt, wie sie z.B. aus dem Deutschen Patent P 39 35 722.8 bekannt sind. Am Ausgang des Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocks 4 ist ein Wechselrichter 16 angeschlossen, der den von dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom für ein hier nicht weiter dargestelltes Stromnetz umwandelt.
Der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 ist in einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenbehalter 10 mit thermischer Isolierung 9 auf den Innenwänden angeordnet. Außerdem sind jeweils im Innenraum 11 des Hochtemperatur-Brennstoffzellenbehälters 10 außerhalb des Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocks 4 zwei elektrische Heizelemente 12, 14 angeordnet. Sie befinden sich an zwei gegenüberliegenden Wänden. Ansonsten ist der Zwischenraum zwischen dem Brennstoffzellenblock 4 und den und den Heizelementen 12, 14 mit wärmeleitendem Material 13, 15 ausgefüllt. Die Wärmeübertragung zwischen den elektrischen Heizelementen 12, 14 und dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 wird durch das wärmeleitende Material 13, 15 verbessert.
Die elektrischen Heizelemente 12, 14 stehen in thermischem Kontakt mit dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4. Zum Erwärmen ist hier kein Rauchgas erforderlich. Demzufolge kommt es nicht zu Verschmutzungen oder Beschädigungen der Hochtemperatur-Brennstoffzellen aufgrund von Rauchgaseinwirkungen. Das Verfahren ist auf jede beliebige Konfiguration von Hochtemperatur-Brennstoffzellenblöcken anwendbar. Es ist damit unabhängig von den Leistungen und den Abmessungen der Brennstoffzellenblöcke und damit ebenso unabhängig von den Abmessungen der Brennstoffzellenanlage 2.
Durch dieses Verfahren wird der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 auf seine Betriebstemperatur T0 erwärmt oder während kurzer Betriebspausen auf dieser gehalten. Dazu wird die Temperatur T des Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocks 4 geregelt. Die Temperatur T als Regelgröße wird dabei fortlaufend mit einem Temperatursensor 62 erfaßt, welcher dicht auf einer Außenwand des Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocks 4 aufgebracht ist, und über eine elektrische Signalleitung 60 auf eine Regeleinheit 54 geschaltet. Die Betriebstemperatur To als Führungsgröße wird mit einem Sollwertgeber 56 über eine elektrische Signalleitung 58 der Regeleinheit 54 zur Verfügung gestellt. In der Regeleinheit 54 wird die Regelgröße T fortlaufend mit der Führungsgröße T0 verglichen. Im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße T0 werden die elektrischen Heizelemente 12, 14 über die elektrischen Leitungen 50, 52 entsprechend aufgeheizt.
Dem Kathodenteil 8 ist ein Kathodensystem 20 zugeordnet, das einen Zuweg 22 und einen Abweg 24 umfaßt. Das Prozeßgas für den Kathodenteil 8, beispielsweise Sauerstoff O2, wird über den Zuweg 22 mit einem Verdichter 26 in den Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4 eingespeist. Das Prozeßgas wird nach der Reaktion über den Abweg 24 abgeführt. Im Zuweg 22 ist ein erster Wärmetauscher 28 angeordnet, in dem das Prozeßabgas das zugeführte Prozeßgas für den Kathodenteil 8 erwärmt.
Nach Verlassen des ersten Wärmetauschers 28 wird das Prozeßabgas des Kathodenteils 8 über den Abweg 24 einer Einrichtung 38 zum Aufbereiten der Restgase zugeführt. Aus dieser Einrichtung 38 werden die aufbereiteten Gase über eine Abführungsleitung 40 zur Weiternutzung ausgeleitet.
Dem Anodenteil 6 ist ein Anodensystem 30 zugeordnet, das einen Zuweg 32 und einen Abweg 34 umfaßt. Das Prozeßgas für den Anodenteil 6, beispielsweise Wasserstoff H2, wird über den Zuweg 32 zugeleitet. Im Zuweg 32 ist ein zweiter Wärmetauscher 36 angeordnet, in dem das aus dem Anodenteil 6 über den Abweg 34 abgeführte Prozeßabgas das dem Anodenteil 6 zugeführte Prozeßgas erwärmt. Der Abweg 34 mündet in die Einrichtung 38 zum Aufbereiten der Restgase.
Alternativ können über Zuführungsleitungen 42 und 44 und einen Mischer 46 Prozeßgase für den Betrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2, beispielsweise Brenngas und Reaktionsdampf, in den Zuweg 32 eingespeist werden.

Claims (5)

  1. Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage (2) mit mindestens einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock (4), zu dessen Erwärmung mindestens ein elektrisches Heizelement (12, 14) vorgesehen ist, wobei das Heizelement (12, 14) außerhalb des Hochtemperatur-Brennstoffzellenblocks (4) angeordnet ist und wobei der Zwischenraum zwischen dem Heizelement (12, 14) und dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock (4) durch wärmeleitendes Material (13, 15) zur Verbesserung der Wärmeübertragung ausgefüllt ist.
  2. Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage (2) nach Anspruch 1, bei dem das elektrische Heizelement (12, 14) innerhalb eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenbehälters (10) mit thermischer Isolierung (9) angeordnet ist.
  3. Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage (2) mit mindestens einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock (4) nach Anspruch 1, wobei der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock (4) von außen mit mindestens einem elektrischen Heizelement (12, 14) über ein wärmeleitendes Material (13, 15) erwärmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock (4) auf seine Betriebstemperatur T0 erwärmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock (4) auf seiner Betriebstemperatur T0 gehalten wird.
EP96918609A 1995-06-30 1996-06-25 Hochtemperatur-brennstoffzellenanlage und verfahren zu ihrem betrieb Expired - Lifetime EP0835530B1 (de)

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DE19523973A DE19523973C1 (de) 1995-06-30 1995-06-30 Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage und Verfahren zu ihrem Betrieb
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EP0835530A1 EP0835530A1 (de) 1998-04-15
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JP (1) JPH11508725A (de)
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CA (1) CA2225815A1 (de)
DE (2) DE19523973C1 (de)
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ES (1) ES2141508T3 (de)
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